Bilan — F1 · Les forces de l'électron

Que se passe-t-il quand on frotte deux objets ?

Frotter deux objets l'un contre l'autre arrache des électrons à l'un pour les donner à l'autre : les deux se retrouvent électrisés.

Il n'existe que deux types de charges, notées + et −. Deux charges de même signe se repoussent ; deux charges de signes opposés s'attirent. La charge électrique se mesure en coulombs (symbole C).

Deux charges de même signe se repoussent, deux charges de signes opposés s'attirent ; les deux forces ont toujours la même intensité

Exemple : les deux scotchs arrachés pareil de la table se repoussent (mêmes signes) ; le ballon frotté et la mèche de cheveux s'attirent (signes opposés). Et le mur, le filet d'eau, les confettis, tous NEUTRES, sont quand même attirés : leurs charges se réarrangent, et le côté proche gagne toujours — merci le 1/d².

Quelle est l'expression de la force électrique ?

Deux charges s'attirent ou se repoussent avec une force d'intensité donnée par la loi de Coulomb, copiée sur la structure de la loi de gravitation vue en seconde :

$$F = k \times \dfrac{|q_1 \times q_2|}{d^2}$$

• F : intensité de la force (en N) ;
• q₁ et q₂ : charges (en C) ;
• d : distance entre les charges (en m) ;
• k = 9,0 × 10⁹ N.m².C⁻².

$$F = G \times \dfrac{m_1 \times m_2}{d^2}$$

• pour comparaison : la gravitation de Newton, avec G = 6,67 × 10⁻¹¹ N.m².kg⁻².

Sur qui s'exerce cette force, et comment décroît-elle ?

La force s'exerce sur chacune des deux charges, avec la même intensité (actions réciproques), le long de la droite qui les relie.

Elle décroît en 1/d² : doubler la distance divise la force par 4. Grande différence avec la gravitation, qui ne sait qu'attirer : la force électrique peut aussi repousser.

Exemple : dans un atome d'hydrogène, électron et proton s'attirent par Coulomb (8,2 × 10⁻⁸ N) ET par Newton (3,6 × 10⁻⁴⁷ N) — un rapport de l'ordre de 10³⁹. C'est la force électrique qui fait tenir les atomes, les molécules, et toute la chimie de l'année.

Qu'est-ce qu'un champ électrique ?

Un objet chargé modifie l'espace autour de lui : en chaque point, il installe un champ électrique E, qui indique la force que subirait une petite charge test positive placée là. E se mesure en N.C⁻¹.

$$E = \dfrac{F}{q}$$

• E : champ électrique (en N.C⁻¹) ;
• F : force subie (en N) ;
• q : charge test (en C).

$$E = k \times \dfrac{|q|}{d^2}$$

• le champ créé par une charge ponctuelle q, à la distance d.

À quoi ressemble la carte du champ ?

Autour d'une charge ponctuelle, la carte du champ est radiale : toutes les flèches suivent les rayons, et s'essoufflent en 1/d². Une charge NÉGATIVE placée dans le champ subit une force de sens opposé à celui de E.

Carte du champ créé par une charge positive seule : les flèches partent de la charge en suivant les rayons et raccourcissent avec la distance

Exemple : la cabine de peinture électrostatique — la pièce reliée au sol installe un champ qui l'enveloppe ; chaque gouttelette (−) lit la carte là où elle est et fonce vers la pièce, MÊME à l'arrière, que le jet ne vise pas. La gouttelette ne « sait » rien : elle suit la carte.

En quoi le champ de gravitation lui ressemble-t-il ?

Une masse installe elle aussi sa carte : le champ de gravitation, qui s'exprime en N.kg⁻¹. Même structure en 1/d², même géométrie radiale… mais une seule différence : la gravitation ne sait qu'attirer.

$$g = G \times \dfrac{m}{d^2}$$

• g : champ de gravitation créé par une masse m, à la distance d (en N.kg⁻¹).

Exemple : à 400 km d'altitude, là où vole la Station spatiale, g vaut encore 8,7 N.kg⁻¹, soit 89 % de sa valeur au sol. « Pas de gravité dans l'espace » ne survit pas au calcul. (Pourquoi flottent-ils, alors ? Réponse au chapitre de mécanique.)